SiCf/SiC复合材料中Ti3SiC2涂层的制备和应用研究

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陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)具有较高的高温强度、化学惰性以及较好的热稳定性,同时还具备良好的韧性,是具有广阔前景的高温结构材料,其应用包括燃气轮机、热交换器和核反应堆组件。弱的界面结合是提高CMCs韧性的关键因素之一,常通过预先在纤维表面制备一层弱界面涂层,促进CMCs断裂过程中裂纹在纤维/基体界面的偏转以及纤维拔出,以此提高CMCs的韧性。目前公认增韧效果最好的CMCs界面涂层是热解碳(PyC)和碳化硼(BN)涂层,但是由于两者在空气中易于被氧化消耗,限制了CMCs在高温氧化环境中的应用。另外,纤维强度对CMCs整体性能也起到关键性作用,而在界面涂层制备过程中纤维强度经常会受到损伤。因此,探寻一种高温抗氧化的弱界面涂层材料以及降低界面涂层制备过程中纤维强度的损伤尤为重要。Ti3SiC2具有层状结构并且具有较好的抗氧化性,因此,本文首先通过浆料浸渍法在SiC纤维表面制备Ti3SiC2界面涂层,制备气氛为真空和氩气,制备温度为900-1100℃,系统地研究了界面涂层制备过程中制备温度和气氛对界面涂层形貌以及纤维力学性能的影响。选择对纤维损伤最小的制备参数在SiC纤维表面制备Ti3SiC2涂层,最后利用气相沉积(Chemical vapor infiltration,CVI)法结合前驱体浸渍裂解(Precursor infiltration pyrolysis,PIP)法制备出SiCf/Ti3SiC2/SiC微型复合材料,并探究了含有Ti3SiC2界面涂层的复合材料的界面性能以及力学性能。本文的主要结果如下:(1)界面涂层制备气氛为真空时,制备出的Ti3SiC2界面涂层疏松多孔。当制备温度达到或高于1000℃时,虽然Ti3SiC2涂层部分分解成TiC,但是纤维强度几乎没有出现损伤。(2)界面涂层制备气氛为氩气,制备温度为900℃时,氩气气氛中较高的氧分压导致Ti3SiC2开始氧化生成Ti O2和Si O2。当制备温度为1100℃时,SiC纤维表面覆盖着致密的无定形Si O2氧化层,并且内嵌Ti O2晶粒。同时,在纤维/涂层界面处存在缺陷和孔洞,氧化层的存在导致纤维与涂层之间的结合力变强,此时界面处的缺陷会对纤维强度造成较大的影响,导致纤维强度下降约39.4%。(3)真空气氛所制备的多孔Ti3SiC2界面能够有效地改善SiCf/SiC微型复合材料的韧性。复合材料断裂过程中,Ti3SiC2界面涂层可以起到促进裂纹偏转以及纤维拔出的作用。
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